学习科学的原则和方法（7）：测试强化学习

学习科学在教育方面的应用——原则和方法（7）：测试强化学习

测试强化学习

Mary A. Pyc, Pooja K.Agarwal, & Henry L. Roediger, III

Washington University in St. Louis

翻译：张铁光教授、剑桥博士

概述

测试强化学习（test-enhanced learning）是指在学习过程中进行的练习测试（practice tests），增加了以后回忆信息的可能性。这一观点与传统观念形成了鲜明对比，传统观念认为考试只是衡量先前的学习，而不去改变它。相反，大量研究表明，测试是有效的学习事件（potent learning events）（最近的评论见Rawson和Dunlosky，2011；Roediger和Butler，2011）。与简单地重读一条给定的信息（或者什么也不做）相比，主动地从记忆中检索信息，提高了以后调用该信息的可能性。练习测试的优点已经被记录了数百次，测试的好处可能在最初了解信息后可持续长达9个月（见Dunlosky、Rawson、Marsh、Nathan和Willingham，2013）。已经证明，练习测试可以改善从儿童（例如，相关评论请参见Agarwal、Bain和Chamberlain，2013年）到老年人（例如，Logan和Balota，2008年）整个寿命期内的长期记忆力（long-term retention），从单词列表和外语单词对到解释性文本和地图，已经使用广泛的材料和实验设计进行了记录（例如，相关评论请参阅Roediger和Karpicke，2006a）。

多年来，许多不同术语被用来描述测试强化学习：测试效果（testing effects）、检索练习效果（retrieval practice effects）、检索强化学习（retrieval-enhanced learning）、低风险测验（low stakes quizzes）和练习测试（practice tests）等等。研究表明，练习测试的好处并不取决于所实施的测试类型（例如，多项选择、简短回答、论文问题）（例如，Foos和Fisher，1988；Kang、McDermott和Roediger，2007；McDaniel、Roediger和McDermott，2007；McDermott、Agarwal、D'Antonio、Roediger和McDaniel，印刷中）。这里重要的一点是，任何类型的练习测试都能提高长期记忆能力。

教师可以在课堂上进行练习测试，学生也可以在自主学习（self-regulated study）中进行练习测试。在课堂上，这个过程可以简单到经常问学生问题，要求所有学生以某种方式回答（在下面进一步讨论），并向他们提供反馈（即正确答案）。对学生来说，这可以简单到用抽认卡（flashcards）来学习信息，或者试图回忆他们最近读过的或是听过的信息。许多教科书已经通过在章节末尾提问，将练习测试纳入学习。然而，如果没有老师的帮助，学生可能无法以最佳方式使用这些章末尾的问题（例如，Karpicke、Butler和Roediger，2009）。尤其是，学生在认为自己很清楚手头的问题后，需要多次进行练习检索（practiceretrieval）（Karpicke，2009）。

在教育中附加测试（additional testing）的想法经常是名誉扫地，但这主要是由于使用标准化测试（standardized tests）的问题，而这些问题与我们推荐的检索增强型学习（retrieval enhanced learning）几乎没有关系。在本章中，我们主张通过测试进行的检索练习，应尽可能频繁地融入课堂和学生的自主学习中。

下面我们将描述如何在实验室和实际的课堂环境中，对测试进行实验性评估的具体例子，并就如何让教师和学生容易地将测试纳入课堂和自主学习情境（self-regulated learning situations）提出建议。

测试促进学习的最新研究（Recent Research on Test-Enhanced Learning）

练习测试的记忆益处（memorial benefits）已经被记录在一系列的材料中，包括外语单词对（例如，Pyc和Rawson，2009）、文本中的段落（Roediger和Karpicke，2006b）、统计（例如，Lyle和Crawford，2011）、一般知识事实（例如，Carpenter、Pashler、Wixted和Vul，2008）、世界历史（例如，Roediger、Agarwal、McDaniel和McDermott，2011年）、科学（McDaniel、Agarwal、Huelser、McDermott和Roediger，2011年）和图形学习（例如，Carpenter和Pashler，2007年）。

随着编码和最终测试之间的延迟的增加，检索练习的好处更加明显。例如，Roediger和Karpicke（实验2006b）让学生最初阅读一篇课文。然后，学生们又进行了三次练习试验：他们要么再多读三遍（SSSS）；要么再多读两遍，然后进行一次自由回忆测试（SSST）；要么不再重复阅读短文，而是进行三次自由回忆测试（STTT）。然后，参与者在五分钟或一周后完成最后的自由回忆测试。这项测试只是给学生一段文章的名字，让他们尽可能多地回忆。研究人员对记忆中的想法单元（为了评分文本被解析成的简单内容短语）的数量进行了评分。结果如下图所示。对于在学习后5分钟进行最后测试的组，最大的益处来自多次阅读课文，而单次学习多次测试的情况表现最差。换言之，在一次即时测试中，填鸭式学习是有效的。然而，当一周后进行延迟的最终试验时，得到的结果正好相反：在练习中接受了三次测试的学生回忆效果最好；阅读了四次文本的学生回忆效果最差。尽管重读课文的学生每次都会接触到100%的材料，而接受测试的学生只会接触到他们能回忆的东西，但这一结果还是发生了。这些结果很好地说明了测试对长期记忆的强大影响，并突出了学习条件和记忆间隔（学习和最终测试之间的延迟）之间的相互作用。

当从记忆中检索是隐蔽的（思考，但没有明确说明回应），练习测试也获得了好处。例如，Carpenter和Pashler（2007）让学生学习地图，以便在以后的测试中重新创建地图（参见下面的示例地图）。经过初步的学习，学生要么重新学习地图，要么进行隐蔽的测试练习（covert test practice）。在测试练习中，特征（如房屋）被删除，学生被要求思考哪个特征丢失了。30分钟后，学生们被要求用他们能回忆起的所有特征重新绘制地图。结果表明，参加隐蔽测试练习的学生比接受学习练习（study practice）的学生在最后的绘画中更准确。这些结果表明，练习测试的记忆效果并不依赖于信息的显性检索（overt retrieval）。另外的研究表明，隐性检索和显性检索一样有利于后期的记忆（Smith、Roediger和Karpicke，出版中），而且，无论是使用显性练习类型的学生还是在初始测试中说出答案，这两种方法都会产生强大的测试效果（Putnam和Roediger，2013）。

图2、Carpenter和Pashler绘制了两张地图，一张是城镇地图（上面板），一张是娱乐区地图（下面板）。每张地图包含四条道路、两条河流和六个附加功能，如学校或高尔夫球场。原始地图包含蓝色（用于湖泊、海洋和河流）、绿色（用于树木和高尔夫球场）和红色（用于学校和急救站）。每个受试者学习两张地图，一张是通过完成一个持续120秒的反馈测试（测试/学习），另一张是通过额外的学习时间（学习）持续120秒。每个受试者被随机分配到四种不同的平衡条件中的一种，以学习这两种地图。

如果在测试后给出正确答案（例如，Hays、Kornell和Bjork，2013；Kornell、Hays和Bjork，2009），即使在信息未被回想起的情况下，练习测试（practice tests）也能获得好处。在一系列实验中，Kornell等人（2009）评估了练习测试的好处在多大程度上依赖于正确检索信息。学生被要求学习弱相关（weakly associated）的项目（例如鲸鱼-哺乳动物），以便他们在以后的测试中能够回忆起它们。学生被分配学习这些项目或接受一个项目测试（随后是反馈）。对于学习试验（study trials），将词对整个放在一起供学生学习。对于测试试验（test trials），只呈现了第一项，让学生猜测正确答案，然后被提供正确答案。考虑到这些项目的关联性很弱，几乎所有项目在测试试验中都被错误地回忆了。经过一段时间的延迟，学生们接受了一个最终的线索回忆测试，在测试中，为他们提供了一半的线索（如鲸鱼），并要求生成与之相关的单词（如哺乳动物）。以下是他们四个实验的结果，结果表明，接受练习测试试验的学生比接受练习学习试验的学生在期末考试中回忆的项目比例更高。因此，即使检索不成功，练习测试也有利于记忆。

图3、经许可转载（Kornell N.、Hays M.J.和Bjork R.A.，2009年。不成功的检索尝试会增强后续学习。实验心理学杂志：学习、记忆和认知，35989-998，由APA出版）。即使在编码过程中最初没有检索到项目，测试后的最终测试性能也比学习练习更高。

尽管大多数研究都是针对大学生进行的，但越来越多的研究表明，测试（testing）的好处已经扩展到从幼儿到老年人的所有年龄组（例如，Logan和Balota，2008；Metcalfe和Kornell，2007）。例如，Rohrer、Taylor和Sholar（2010）让四年级和五年级的孩子在地图上学习城市的名称和位置。孩子们通过学习地图或者对地图上的城市进行练习测试（然后是反馈）来学习地图。他们在一天后的最后一次测试中评估了表现，测试要么与先前的测试（标准）相同，要么是迁移测试（旨在评估信息是如何从一个上下文推广到另一个上下文的）。下图（改编自Rohrer等人，2010）显示每个练习小组作为最终测试类型函数的准确性。对于这两种类型的最终测试，当通过练习测试学习地图时，表现要比集中学习时好得多。

图4、该图重新绘制于Rohrer等人，2010年。在一项针对幼儿的研究中，儿童参与测试练习（test practice）的最终测试准确性（final test accuracy）比参与学习练习（study practice）的要更高。对于标准的和迁移的最终测试格式，效果都是稳健的。

尽管先前的研究已经牢固地确立了练习测试的记忆益处（与学习相比），但研究表明，当测试之后有反馈时，练习测试的益处甚至更大（例如，Bangert-Drowns、Kulik、Kulik和Morgan，1991；Cull，2000），尤其对那些试验中有错误回忆的项目（Pashler、Cepeda、Wixted和Rohrer，2005）。例如，Pashler等人（2005）让学生学习Luganda（卢干达语）词汇项目（如leero-today），以便在提示使用外语单词时能够回忆起英语单词。在对项目进行两次初步学习之后，学生们对每个项目进行两次测试，测试中向他们提供外语单词（例如leero），并要求他们检索英语译文（例如，today）。

出于现在感兴趣的目的，学生要么在测试后没有收到任何反馈，要么得到了正确的答案。一周后，他们完成了每一个项目的期末考试，并再次向他们提供了外语单词，并要求他们回忆英语翻译。结果表明，在练习中，当学生在测试试验后得到正确答案时，期末考试成绩最高。Butler、Karpicke和Roediger（2008）表明，对于更复杂的材料，反馈也可以帮助学生，即使他们得到了正确的答案（尤其是当他们提供了一个缺乏信心的正确答案）。

研究除了显示练习测试的记忆益处大于重新学习信息的练习之外，研究还表明，测试的数量和时间影响了信息在稍后时间被重新收集的可能性。例如，Pyc和Rawson（2009）让学生学习斯瓦希里语英语单词对（例如，wingu-cloud），直到在练习过程中项目能够被记忆到某一标准的表现水平（1到10次之间的正确记忆）。他们在练习中操纵了正确检索之间的时间间隔，使得一些项目在测试试验之间有一个短的延迟（6个其他项目），而另一些项目在测试之间有一个长的延迟（34个项目）。

学生在学习项目后25分钟或一周后进行最后的回忆测试。下图显示了最终测试的表现，它是在练习过程中回忆项目的次数（即标准级别）和正确检索之间的时间间隔（短或长的延迟，检索之间的间隔约为1或6分钟）的函数。结果显示，随着练习过程中正确回忆次数的增加，表现也会增加（见下图，改编自Pyc和Rawson，2009）。结果还表明，正确回忆之间的时间量对信息在以后的测试中被回忆的可能性有很大的影响。当正确的回忆之间有一个长滞后和一个短滞后时，表现总是最好的。事实上，当期末考试在一周后进行，并且项目学习有一个短暂的延迟时，成绩就下降了。甚至一周前十次成功的检索（相对于一次检索而言）也无助于材料的学习。因此，对于这些学生来说，在短时间的延迟条件下，练习检索的额外时间基本上是浪费的。这个结果指出了间隔检索的重要性。当检索变得过于简单时，检索练习就不能使回忆受益（参见Karpicke和Roediger，2007）。

图5。该图重新绘制于Pyc和Rawson（2009）。表现随着标准级别的增加而提高，长滞后（long lag）项比短滞后（short lag）项性能会更高。滞后的记忆效应在很长的记忆期内尤为显著。

重要的是，研究表明，练习测验的记忆效果并不取决于练习测验的形式与期末测验的匹配程度。例如，Carpenter和DeLosh（2006）让参与者学习单词列表。在最初的项目研究试验之后，参与者要么再次学习列表，要么进行多项选择测验，提示性回忆测验，要么进行自由回忆测验。在短暂的记忆间隔后，参与者被要求回忆他们刚学过的单词。根据每个参与者被分配到的小组，最终测试的形式是多项选择、提示性回忆或自由回忆。无论最终测试形式如何，当参与者在练习过程中接受自由的回忆测试时，他们在最终测试中的表现都是最好的。这些结果表明，当学生在编码过程中付出更多的努力（即自由回忆与提示回忆，或多项选择）时，无论最终测试的格式如何（自由回忆、提示回忆或多项选择格式），他们在最终测试中表现得更好。然而，最近的研究表明，练习测试的形式并不影响测试效果的大小（size of testing effects）（McDermott等人，出版中）。

如何将测试练习融入课堂？（How Can Test Practice Be Incorporated Into the Classroom?）

研究表明，在课堂上频繁实施的低风险练习测试（low-stakes practice tests），可以大大提高实际课堂环境下的考试成绩（例如，Leeming，2002；Lyle和Crawford，2011；McDaniel等人，2011）。有许多不同的方式，教师可以把测试练习纳入课堂的日常活动。在这里，我们讨论了四种不同的策略，当然，其他的策略也可以根据班级的结构和老师的偏好很好地工作。

在课程教学中经常提问，是教师将测试融入课堂的一种方式。这涉及到教师提问，等待学生做出回应，然后随机选择班上的任何学生来回答问题。这就要求所有的学生都给出答案，这样所有的学生都能从测试中受益。教师向学生提供反馈是很重要的，这样他们就可以纠正任何可能产生的错误答案。

我们意识到有些老师可能不想让学生当场就范，而是希望志愿者提供答案。这也可能成功，但我们鼓励教师强调所有学生在任何学生大声回答问题之前，产生（或许是写下）自己的问题答案的重要性。这样，所有的学生都应该从参与测试练习中获益。

其他一些策略将测试练习（test practice）纳入课堂教学，而不是孤立一个学生（例如，使用学生反应系统或“点击器”，在课开始或结束和其他时进行测验）。点击器（clickers）是用于个人响应的远程设备，近年来受到越来越多的关注。对于点击测试，教师提出一个问题，学生通过选择选项来确定哪一个是最合适的答案（即多项选择测试）或通过发短信输入答案（即短响应测试（short response tests））来做出回答。点击器通过要求每个人回答给定的问题来吸引所有学生。点击器的结果对指导者也是有用的，因为他们可以提供关于有多少学生理解给定的概念或主题的信息。这可以通过突出显示可能需要更详细地涵盖的信息来修改指令。使用点击器的一个缺点是，它们确实涉及一些成本（尽管它们可以跨年用于许多学生）。提醒：在点击器问题或课堂上测验的期间或之后，应始终提供反馈。

一种非常类似的、几乎零成本的将测验纳入课堂教学的方法，包括在课程开始时向学生提供一套彩色索引卡，并指示他们每天带卡片上课。每张卡片可以代表一个答案（例如，选择题的正确/错误或a、b、c、d选项）。在课堂上，每当老师提出问题时，学生都会选择彩色的卡片，代表他们认为正确的答案，然后举起来。与点击器一样，这种策略也为教师提供了即时反馈，告诉他们有多少学生理解了某个概念，但在课堂上实施的成本很低。

另一个课堂上频繁使用测试练习的简单策略，是在每节课的开始或结束时进行测验。这些方法的基本思想是，在每节课中测试学生。每节课开始或结束时，都会有几分钟的时间用于测试练习。教师要求学生在课程开始前回答几个问题(包括以前课程所涉及的主题和阅读作业)，或者在每节课结束时回答几个问题(包括课程所涉及的主题)，然后学生把答案写在一张纸上交给教师。

经常鼓励学生学习，因为他们知道他们将接受信息测试。对于上述的每一种策略，我们都强烈建议对学生进行低风险的测试，这样就不会对学生的成绩产生重大影响（成绩主要由通常的方式决定——论文、期末考试等）。这些策略中最重要的一点是，它们涉及到课堂上的频繁测试。虽然教师需要额外的时间来产生问题，并对答案进行评分，但我们相信这段时间是值得的。经常进行练习测试可以提高学习效率和长期记忆力，这最终可以节省教师的时间，因为他们不必经常重复讲授信息。这些测验也为教师提供关于学生学习多少信息的即时反馈。如果所有的学生在一组特定的问题上表现不佳，这可能会给教师提供一个线索，让他们复习这个概念或主题。最后，我们强调教师在学生进行测试练习后提供反馈的重要性，以便他们可以纠正任何可能在测试练习中出现的错误。

我们在这里没有强调的一点是，除了检索练习（retrieval practice）的直接影响之外，测验还有很多好处（见Roediger、Putnam和Smith，2011，他讨论了测试的十个好处）。

如何将测试纳入学生的自主学习中？（How Can Testing Be Incorporated Into Student’s Self-Regulated Learning?）

虽然，学生可以购买那些声称可以提高学习和长期记忆能力的项目的数量激增，但这些项目的成本往往昂贵。下面我们将介绍一些学生在自主学习过程中可以使用的策略，这些策略不需要花费任何成本。

学生可能已经将一些形式的测试纳入了他们的自主学习中。学生报告的一个常见学习策略，是在基本事实和概念的自主学习（例如，Hartwig和Dunlosky，2012；Wissman、Rawson和Pyc，2012）中使用抽认卡（flashcards）。抽认卡通过一边有问题，一边有答案，自然地融入了测试练习。因此，学生们被要求尝试生成一个答案，然后立即检查它们是否正确。

学生还报告使用抽认卡练习，直到项目可以被正确回忆（例如，Wissman等人，2012年）。如上所述，研究表明，随着练习中正确记忆次数的增加，检索练习的长期效益也会提高。因此，学生可以通过使用抽认卡将一个强大的学习策略融入到自主学习中，前提是他们继续复习信息，直到能够以间隔时间多次正确地回忆项目为止。也就是说，应该鼓励学生尽可能长时间地把卡片放在他们的抽认卡“牌堆”里，不要把卡片掉出来，以最大限度地增加测试的信息量（例如，Karpicke和Roediger，2008）。

学生可能已经将测试练习融入到他们的学习中的另一种方法，就是回答课本章节末尾经常出现的问题。我们建议学生首先尽其所能回答每个问题，而不必查找答案，然后检查答案的准确性。学生也可以在阅读一章的时候定期停下来，试着回忆他们读过的内容（然后检查他们可能错过的任何重要信息）。

除了促进长期记忆以外，测试强化学习还有什么好处吗？（Are There Benefits of Test-Enhanced Learning Beyond Promoting Long-Term Retention?）

尽管我们认为练习测试的长期记忆益处，足以使测试广泛地融入到课堂环境中，但测试还有许多其他益处（另见Roediger、Putnam和Smith，2011）。正如我们前面提到的，测试的一个重要的间接好处，是它可以帮助教师和学生立即识别出不太熟悉的概念或主题。这可能对教师特别有益，因为它将突出学生正在挣扎的信息，并可能暗示需要在给定的主题上花费更多的时间。对于自主学习的学生来说，它可以突出他们需要更加集中精力学习的信息。

研究还表明，开放式练习测试（如学生对某一主题的知识的自由回忆）可以改善学生的信息组织。与简单的重新学习相比，测试可以增强信息的组织，这有助于以后的检索（例如，Zaromb和Roediger，2010）。测试的好处超出了被测试的特定项目，显示了迁移到编码过程中未特别测试的其他信息（例如，Butler，2010；McDaniel、Thomas、Agarwal、McDermott和Roediger，2013）。如上所述，研究人员对练习测试对后续学习的影响越来越感兴趣（例如，Arnold和McDermott，2012；Pyc和Rawson，2010、2012）。也就是说，参加测试的行为是否会影响学生在测试后学习机会信息的能力？Arnold和McDermott（2012）表明，随着练习测试次数的增加，在随后的学习试验中学习到的信息量也会增加。类似地，Pyc和Rawson（2010）表明，与参与学习练习相比，当学生进行测试练习时，他们用于学习项目策略的有效性更高。

摘要

大量的研究已经证实，练习测试可以提高长期记忆能力。本章回顾了该领域的一小部分研究，主要集中在与教育相关的材料的研究上。我们为教师和学生如何轻松地将练习测试纳入课堂和自主学习提供了一些建议。我们认为，必须尽可能将练习测验和测试（practice quizzes and tests）纳入课堂和自主学习，以促进学生的长期学习和记忆。有关最近为教师设计的指南，请参阅“如何使用检索练习来改进学习”（Agarwal、Roediger、McDaniel和McDermott，2014）。

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